Suspensión de vehículos eléctricos: guiado de las ruedas, confort y comportamiento

La suspensión es el sistema mecánico y electrónico que gestiona las fuerzas entre los neumáticos de un vehículo eléctrico y su carrocería. Su función no se limita a suavizar la marcha: debe conservar una carga útil sobre los neumáticos, controlar los movimientos de la carrocería, proporcionar recorrido de suspensión, aislar ruidos y vibraciones y mantener el vehículo seguro durante la frenada, la aceleración y el paso por curva.

Qué controla la suspensión

Una perturbación de la carretera comienza en la huella de contacto del neumático. El neumático se deforma, la rueda y el buje se desplazan, los brazos de suspensión guían ese movimiento, el muelle almacena energía y el amortiguador convierte parte del movimiento en calor. Los casquillos, subchasis, asientos y la estructura de la carrocería determinan qué parte de la perturbación restante llega a los ocupantes.

Por tanto, el sistema debe cumplir varias tareas simultáneas:

mantener la rueda dentro de un intervalo útil de caída y convergencia mientras se desplaza y gira;
limitar las variaciones de la carga vertical del neumático para que este pueda generar fuerzas de frenado, paso por curva y tracción previsibles;
controlar el desplazamiento vertical de la carrocería, el cabeceo (rotación longitudinal) y el balanceo (rotación lateral);
absorber las irregularidades de la carretera sin alcanzar repetidamente los topes de compresión o extensión;
soportar cargas variables de pasajeros, equipaje y remolque con una altura de marcha aceptable;
aislar el ruido transmitido por la estructura sin restar precisión al guiado de las ruedas.

Ninguna suspensión puede mantener perfectamente constante la fuerza del neumático. Un bache, una depresión o una acción sobre la dirección siempre redistribuyen la carga, y un neumático que pierde el contacto con el suelo no puede generar fuerza sobre la carretera. El objetivo de la ingeniería es controlar la magnitud, la velocidad y la duración de esos cambios dentro de la adherencia y el recorrido de suspensión disponibles.

Un modelo útil: carrocería, rueda y carretera

El modelo de suspensión útil más sencillo representa una esquina del automóvil mediante dos masas móviles:

la masa suspendida: la parte de la carrocería, la batería, los ocupantes y el equipaje sostenida por el muelle;
la masa no suspendida: principalmente la rueda, el neumático, el buje, el freno y una parte de los elementos de suspensión;
el muelle y el amortiguador de la suspensión entre esas masas;
la rigidez y la amortiguación del neumático entre la masa no suspendida y la carretera.

Este modelo de «cuarto de vehículo» con dos grados de libertad es deliberadamente incompleto, pero revela el compromiso fundamental. Con un muelle y un amortiguador pasivos no se pueden optimizar de forma independiente el aislamiento suave de la carrocería, el control estricto del recorrido de suspensión y unas variaciones pequeñas de carga del neumático. Modificar un parámetro altera más de un resultado. SAE: dynamic behavior of passive and active suspension systems

Para la aproximación de una sola masa con poca amortiguación, la frecuencia natural de la carrocería es:

fₙ ≈ (1 / 2π) × √(kᵥ / mₛ)

Aquí, kᵥ es la rigidez vertical en la rueda en N/m y mₛ es la masa suspendida soportada en esa esquina en kg. En el vehículo real, las cuatro ruedas están acopladas y también existen modos propios del neumático, el asiento, los casquillos y la estructura, por lo que esta ecuación es una herramienta de razonamiento y no una predicción completa del confort de marcha.

El confort de marcha tampoco se reduce a un único valor universal de aceleración. La sensibilidad humana depende de la frecuencia, la dirección y la duración de la vibración, de la postura y de los impactos transitorios. Por ello, la norma ISO 2631-1 evalúa la vibración de cuerpo entero ponderada en frecuencia, en lugar de tratar todas las aceleraciones como equivalentes. ISO 2631-1: whole-body vibration evaluation

Los caminos de carga

Los componentes de la suspensión desempeñan funciones diferentes:

Los neumáticos son los primeros muelles y amortiguadores del camino de carga. Su construcción, presión, tamaño y temperatura pueden modificar tanto el confort como la dirección.
Los muelles soportan la carga estática y almacenan energía cuando la suspensión se mueve. Establecen la altura de marcha y, junto con la geometría, la rigidez en la rueda.
Los amortiguadores se oponen al movimiento relativo y disipan energía. En el diseño habitual de un turismo no soportan el peso estático del vehículo.
Las bieletas, brazos, articulaciones y columnas limitan la trayectoria de la rueda y transmiten fuerzas longitudinales, laterales y verticales.
Los casquillos y soportes aportan una elasticidad y un aislamiento deliberados. Su deformación bajo carga —la elastocinemática— puede modificar la convergencia, la caída y la respuesta de la dirección.
Las barras estabilizadoras añaden fuerza elástica principalmente cuando las ruedas izquierda y derecha se desplazan en distinta medida.
Los topes de compresión y extensión se convierten en muelles auxiliares cerca de los extremos del recorrido.
Los sensores, válvulas, bombas y actuadores pueden variar la amortiguación, la altura de marcha, la rigidez al balanceo o la fuerza en una rueda concreta.

Estos elementos no se pueden valorar de forma aislada. Un amortiguador de baja fricción solo resulta útil si sus soportes y articulaciones le permiten responder. Un sofisticado eje multibrazo puede provocar reacciones imprevisibles de la dirección si sus casquillos se deforman en la dirección equivocada. Un muelle principal blando puede ofrecer una marcha dura si el automóvil pasa demasiado tiempo apoyado en sus topes de compresión.

Por qué los vehículos eléctricos cambian el problema de la puesta a punto

Las leyes de la suspensión no cambian en un automóvil eléctrico, pero a menudo sí lo hacen los datos de partida del diseño.

Una batería de tracción puede alterar la masa total, el reparto de carga entre ejes, la inercia de guiñada y cabeceo y el espacio estructural disponible alrededor de la suspensión. Por ello, convertir una plataforma existente de propulsión térmica a eléctrica de batería puede exigir una reevaluación de la rigidez en la rueda, la amortiguación, la rigidez al balanceo, el recorrido, la caída y la convergencia, en lugar de limitarse a aumentar la rigidez del muelle. SAE: reassessing suspension characteristics after EV conversion

Varias características de los vehículos eléctricos merecen especial atención:

Una batería montada en el piso sitúa una masa suspendida considerable en una posición baja de la carrocería. Esto puede reducir el momento de balanceo creado por una determinada aceleración lateral, pero no elimina la necesidad de controlar el balanceo ni la transferencia de carga entre neumáticos.
Una masa elevada aumenta la energía implicada en el movimiento de la carrocería y las fuerzas necesarias para detenerlo dentro de un recorrido finito. Sin embargo, la masa por sí sola no determina si un vehículo eléctrico ofrecerá buen confort de marcha.
Un par de tracción elevado y una fuerte deceleración regenerativa pueden hacer más perceptibles la puesta a punto del cabeceo y los cambios de carga entre ejes.
Las ruedas grandes, los neumáticos anchos y los frenos de gran tamaño pueden aumentar la masa no suspendida y la rigidez del neumático. Su efecto debe evaluarse como un conjunto completo de rueda y neumático.
Al haber poco ruido del motor que los enmascare, los impactos, el siseo de los amortiguadores, el ruido de cavidad de los neumáticos y las excitaciones transmitidas por los casquillos pueden oírse con mayor facilidad.
Una altura de marcha ajustable puede proteger la batería en carreteras deficientes o bajar la carrocería a alta velocidad, pero cualquier mejora de autonomía depende de la aerodinámica del vehículo, la estrategia de control y la energía consumida por el sistema.

La conclusión correcta no es que todo vehículo eléctrico necesite suspensión neumática o activa. Es que la distribución de masas, el conjunto de neumáticos, la estructura y el ciclo de uso específicos de un vehículo eléctrico requieren una puesta a punto específica.

Cómo se relacionan los cinco artículos

El nombre del sistema que figura en una ficha técnica solo cuenta una parte de la historia:

suspension layouts and wheel-control geometry explica las arquitecturas de guiado de las ruedas, la cinemática, la elasticidad, la alineación y el empaquetado.
suspension springs explica la rigidez en la rueda, los muelles helicoidales y neumáticos, las barras estabilizadoras, el recorrido y el soporte de la carga.
suspension dampers explica el comportamiento fuerza–velocidad, la compresión y la extensión, las válvulas pasivas y la amortiguación adaptativa.
active suspension diferencia la autonivelación, la amortiguación semiactiva, el control activo del balanceo, el control predictivo y la suspensión totalmente activa.

El Porsche Taycan actual ilustra por qué deben separarse estas capas: su sistema de serie combina muelles neumáticos de dos cámaras, amortiguadores de dos válvulas con control continuo, una suspensión delantera de doble triángulo y un eje trasero multibrazo, mientras que Porsche Active Ride añade bombas hidráulicas capaces de generar fuerzas específicas en cada rueda. «Neumática», «adaptativa» y «activa» describen funciones distintas dentro de un mismo chasis. Porsche: Taycan chassis, air suspension and Active Ride

Cómo evaluar la suspensión de un vehículo eléctrico

Una ficha técnica no revela la fricción de arranque, las curvas de los amortiguadores, el comportamiento de los casquillos, el recorrido disponible, la construcción de los neumáticos ni la calibración del software. Por tanto, una prueba de conducción rigurosa debe aislar las condiciones en lugar de buscar una única impresión imprecisa:

Compruebe el tamaño, el tipo, la presión y la carga de los neumáticos antes de comparar vehículos.
Utilice el mismo modo de conducción y una carga similar de pasajeros o equipaje.
Incluya juntas de borde pronunciado, pequeñas ondulaciones repetidas, ondulaciones largas y una perturbación que afecte a una sola rueda.
Observe si el primer impacto queda aislado y si la carrocería se estabiliza después.
Distinga la dureza vertical de los movimientos laterales de la cabeza y del ruido.
Compruebe la uniformidad del cabeceo durante la regeneración y la frenada normales.
En una carretera segura, evalúe si es necesario corregir la dirección tras pasar por un bache en mitad de una curva.
Pruebe todos los modos de suspensión; un menú más amplio no garantiza una gama de funcionamiento más extensa ni mejor controlada.

La mejor suspensión para un comprador no es necesariamente la más blanda ni la más compleja. Es la que mantiene un comportamiento previsible en las carreteras, temperaturas, cargas, neumáticos y velocidades que el vehículo encontrará realmente.